Samspel mellan intuitiva idéer och formella bevis

Transkript

1 Licentiatuppsats Samspel mellan intuitiva idéer och formella bevis En fallstudie av universitetsstudenters arbete med en analysuppgift Kerstin Pettersson CHALMERS GÖTEBORG UNIVERSITY Matematiska Vetenskaper Chalmers Tekniska Högskola och Göteborgs Universitet Göteborg, November 2004

2 Samspel mellan intuitiva idéer och formella bevis En fallstudie av universitetsstudenters arbete med en analysuppgift KERSTIN PETTERSSON Kerstin Pettersson, 2004 ISSN /Nr 2004:44 Matematiska Vetenskaper Chalmers Tekniska Högskola och Göteborgs Universitet Göteborg Telefon Göteborg,

3 Sammanfattning Syftet med denna fallstudie är att belysa samspelet mellan intuitiva idéer och formella bevis. Med utgångspunkt i ett perspektiv där vi söker den potential individer kan uppvisa, beskrivs växelverkan mellan intuitiva idéer och formella strukturer, så som dessa strukturer kommer till uttryck i begreppsdefinitioner och formella bevis. En grupp universitetsstudenter har arbetat med en analysuppgift som berör begreppen funktion och derivata samt inkluderar ett induktionsbevis. Studenternas samtal har analyserats med hjälp av intentionell analys, en analysmetod som utgår från att individers agerande för att kunna förstås måste uppfattas som intentionella. Denna analysmetod synliggör tolkningsprocessen och gör det också möjligt att nå den matematiska innebörden i studenternas agerande. Studien ger flera exempel på växelverkan mellan det intuitiva och det formella samt beskriver funktionen för dessa växlingar. Studenterna har rika begreppsuppfattningar och tillgång till intuitiva idéer för de begrepp uppgiften berör. I gruppens resonemang finns alla ingredienser till ett fullständigt bevis. Studenterna genomför ett bevis som kan passas in i det vanliga mönstret för ett induktionsbevis men de har själva intrycket att deras argumentation inte är i överensstämmelse med det mönster de mött i läroböcker och undervisning. De ställer stora krav på formalisering av sina idéer. Detta hämmar ibland studenterna men driver dem också vidare och leder till att de vidgar sitt sökande efter idéer för hur beviset kan fullföljas. Abstract The aim of this study is to illuminate the interplay between intuitive ideas and formal justification. In a perspective where we focus on the students competences we describe the interaction between intuitive ideas and formal structures, as they appear especially in relation to concept definitions and formal proofs. A group of university students have been working on a task in calculus. The task includes the concepts function and derivative and requires of them to use a proof by induction. The discussion between the members of the group has been analyzed in accordance with the principles of intentional analysis, a method by which we regard the students activities as intentional. This method of analysis makes the process of interpretation visible. It also makes it possible to make explicit the competences of the students and the mathematical content of their actions. In the study examples are given of the interplay between the intuitive ideas and the formal structures and also of the function for this interplay. The students have rich concept images and access to intuitive ideas relevant to the concepts brought to the 3

4 fore by the task. During the group discussion all components of a complete proof are included in the students reasoning. The students create a proof by induction which matches the ordinary pattern for such a proof, but they do not themselves regard it as a proof fitting into the ordinary scheme of argumentation, as they remember it from text-books and teaching. The students put heavy demands upon the formalization of their ideas and these demands are sometimes hampering the problem solving process, but they also encourage the students to expand their search for a solution to the problem at hand. 4

5 Förord Jag vill tacka alla dem som har bidragit till den process som har lett fram till denna uppsats. Först och främst vill jag tacka mina handledare Mats Andersson och Inger Wistedt. Ni har varit ett stort stöd i det arbete som resulterat i denna uppsats. Utan era kommentarer och kloka råd hade studien inte blivit vad den är idag. Både Mats matematiska erfarenhet och Ingers pedagogiska och didaktiska kunskaper har varit till stor hjälp. Ert intresse för studiens frågor och ert engagemang genom hela processen har varit mycket givande. Jag ser fram mot fortsatt samarbete! Jag vill också tacka de studenter som har gjort denna studie möjlig. Ni ställde upp med er tid och ert engagemang. Utan er hade denna studie inte kunnat genomföras. Jag hoppas att ni själva hade utbyte av arbetet med uppgiften. Lycka till i era vidare studier! Ett stort tack riktas till Högskolan i Skövde som låtit mig forskarstudera inom ramen för min anställning vid högskolan. Jag vill också passa på att tacka mina kollegor, nuvarande och tidigare, för att Ni alltid bjuder på era erfarenheter och håller den didaktiska diskussionen levande. Detta arbetsklimat har starkt bidragit till mitt intresse för de didaktiska frågorna. Stort tack även till Forskarskolan i matematik med ämnesdidaktisk inriktning som under det senaste året har delfinansierat mina studier. Genom forskarskolan har jag dessutom fått ta del av gemensamma kurser och det nätverk som doktorander och handledare inom forskarskolan utgör. Tack till er alla för inspirerande möten vid kurser och konferenser. Ett stort tack också till Matematiska Vetenskaper vid Chalmers tekniska högskola och Göteborgs universitet som har stått för handledningen. Dessutom vill jag tacka Lars, för all uppmuntran och omtanke. Skövde, oktober 2004 Kerstin Pettersson 5

6 6

7 Innehållsförteckning Inledning... 9 Relationen mellan det intuitiva och det formella... 9 Den empiriska studien...10 Ett kompetensperspektiv...10 Uppsatsens disposition...11 Teoretisk bakgrund...12 Intuition...12 Det formella...14 Växelverkan mellan det formella och det intuitiva...16 Perspektiv för studien...17 Studiens syfte...19 Metodiska överväganden...20 Intentionell analys...20 Handlingens determinanter...22 Validering av analysen...23 Den empiriska studien...24 Studiens genomförande...24 Gruppens arbete...25 Analys...36 Växelverkan mellan det intuitiva och det formella...36 Tolkning av studenternas bevis...42 Resultat...47 Intuitiva idéer och formaliseringskrav...47 Växlingar mellan det intuitiva och det formella...49 Samspelets funktioner...50 Diskussion...52 Slutsatser i relation till teoribakgrunden...52 Analysmetoden...53 Generaliserbarhet...54 Konsekvenser för undervisning...54 Referenser

8 8

9 Inledning Relationen mellan det intuitiva och det formella Det finns mycket forskning, både experimentell och deskriptiv, som visar att produktiva matematiska resonemang inte enbart kan vila på formalism (Fischbein, 1987, s. 16). Endast tillgång till formella strukturer ger inte möjlighet till den kreativitet som krävs t ex vid problemlösning. The main idea is that the same type of mental attitudes and endeavors which characterize an empirical attempt at solution intervene also at the formal level. / / Therefore, even when dealing with axiomatical structures, the mathematical activity resorts to the intuitive forms of acceptance and extrapolation which may assure its required behavioral firmness, its productivity, its dynamic, flexible consistency! (ibid., s. 23) De matematiska objekten har ofta av en abstrakt karaktär och kan beskrivas som mentala objekt. Dessa mentala objekt måste få en inre konsistens och en tydlighet på samma sätt som reella, materiella objekt för att de ska kunna användas i kreativa, produktiva resonemang. The mental objects (concepts, operations, statements) must get a kind of intrinsic consistency and direct evidence similar to those of real, external, material objects and events, if the reasoning process is to be a genuinely productive activity. (ibid., s. 21) Sådan inre konsistens för ett begrepp bildas i individens möten med begreppet. En begreppsuppfattning och en tolkning av begreppet utvecklas hos individen genom erfarenheter som kan skapas genom formell skolning men som också kan komma från vardagen. När en individ har skapat en uppfattning om ett begrepp så att begreppet av individen uppfattas som något självklart kan vi tala om att individen har en intuitiv idé för begreppet. Vi vill med den här studien visa exempel på hur sådana intuitiva idéer används i kreativa resonemang. För att skapa ett produktivt och dynamiskt matematiskt arbete krävs enligt resonemanget ovan ett samspel mellan intuitiva uppfattningar och formella strukturer. Det finns emellertid relativt få studier som fokuserat detta samspel. Med denna fallstudie vill vi med ett exempel belysa hur samspelet mellan det intuitiva och det formella kan gestalta sig i en problemlösningsprocess. 9

10 Den empiriska studien För att studera samspelet mellan det intuitiva och det formella har vi valt att försätta en grupp universitetsstudenter i en problemlösningssituation. Uppgiften som valts är delvis öppen till sin karaktär. Men uppgiften ger också en specifik uppmaning om att problemlösningen ska innehålla ett induktionsbevis. Att vi valt en uppgift av denna typ gör att det är troligt att den växelverkan vi vill beskriva blir synlig. Studenter möter i undervisningen inte så mycket av formalisering av logiska resonemang. Eventuellt presenteras olika bevistyper mycket kort. Induktionsbevis däremot hanteras annorlunda. Ofta ger läroböcker ett argumentationsschema för just denna bevistyp. Den formella strukturen hos ett induktionsbevis borde därför vara bekant för studenterna. Begreppen som berörs i uppgiften är hämtade från matematisk analys, begrepp som studenterna mött redan på gymnasiet men framför allt arbetat med under de inledande matematikkurserna. Studenterna kan därför tänkas ha utvecklat intuitiva idéer för dessa begrepp. Många studier vittnar om att det vid övergången till matematik på universitetsnivå sker en stor förändring i hur matematiken presenteras. Studenterna möter på denna nivå matematik som presenteras på ett mer formellt sätt. Vid denna brytpunkt verkar det då rimligt att både intuitiva idéer och formella strukturer kan komma till utryck då studenter arbetar med ett matematiskt innehåll. Ett kompetensperspektiv Många didaktiska studier har genomförts för att kartlägga individers begreppsuppfattningar. I dessa studier jämförs ofta de förekommande begreppsuppfattningarna med en vetenskapligt vedertagen uppfattning (för en översikt se Duit, 2004). Studierna får genom detta en stark normativ prägel. Slutsatsen av studierna blir då ofta att det finns en mängd brister hos de undersökta individernas begreppsuppfattningar. I denna studie har vi valt ett annat perspektiv, ett perspektiv där vi försöker se den potential som kan finnas i individernas agerande. Studiens syfte är att beskriva hur samspelet mellan det formella och det intuitiva gestaltar sig. Det finns då anledning att leta efter en analysmetod som siktar in sig på hur studenterna resonerar. Analysmetoden som använts i studien, intentionell analys, ger en möjlighet att se den potential som kan finnas i aktörernas agerande, en potential som ofta förblir osynlig vid en ytligare analys. 10

11 Uppsatsens disposition I denna uppsats presenteras efter inledningskapitlet en kort teoretisk bakgrund där de begrepp som används vid analysen av den empiriska studien definieras och diskuteras. Analysmetoden, intentionell analys, presenteras därefter. Den empiriska studien och datamaterialet presenteras genom en berättelse om gruppens arbete. I analyskapitlet presenteras två exempel på hur den detaljerade analysen har genomförts. Dessutom finns i detta kapitel en analys av det induktionsbevis studenterna genomför. Resultaten sammanfattas i ett kapitel och uppsatsen avslutas sedan med att resultaten diskuteras i relation till den teoretiska bakgrunden. Även analysmetoden och studiens konsekvenser för undervisning diskuteras. 11

12 Teoretisk bakgrund Intuition Intuition ett mångtydigt begrepp Intuition är ett begrepp som kan definieras på en mängd olika sätt (Fischbein, 1987). Intuition uppfattades av Descartes som en fundamental källa för en speciell typ av kunskap. Piaget beskriver intuition som en typ av kognition karaktäriserad av självklarhet och omedelbarhet. Intuition beskrivs av andra även som en elementär primitiv form av kunskap, som sensorisk kunskap ekvivalent med perceptuell kunskap eller som en a priori kunskap. Dessutom används flera relaterade termer t ex sunt förnuft, naturligt tänkande, naivt resonemang och empirisk tolkning. (Se Fischbein (1987) för en grundlig genomgång av olika definitioner av intuition.) Fischbein (1987, 1994) använder i stort Piagets definition och beskriver intuition som omedelbar kunskap, det vill säga en form av kognition vilken av individen uppfattas som självklar. An intuitive cognition is a kind of cognition that is accepted directly without the feeling that any kind of justification is required. An intuitive cognition is then characterized, first of all, by (apparent) self-evidence. (Fischbein, 1994, s. 232) För definition av intuition väljer vi i denna studie att ansluta oss till Fischbein och definierar intuition som en typ av kognition som för individen uppfattas som självklar. En intuition är emellertid inte statisk, vilket definitionen kan förleda oss att tro; den produceras och reproduceras i olika sammanhang där den aktualiseras, i vardagliga sammanhang såväl som i formella. Utöver självklarhet karaktäriseras intuition av globalitet och extrapolerbarhet. Detta betyder att intuitiva idéer fyller ut luckor i informationsmaterialet samt eliminerar information som inte passar in i sammanhanget. Intuitiva idéer är tvingande i den mening att de uppfattas som självklara och exkluderar andra tolkningsalternativ. Här finns därmed en potentiell problematik som kan komma till synes i en lärsituation. Intuitiva idéer utgör en integrerad del av varje intellektuellt produktiv aktivitet och blir därför kvar även när de hämmar resonemangen. Men dessa intuitiva idéer är som nämnts inte statiska. Fischbein (1987) menar att det gäller att hjälpa studenterna att analysera, kontrollera och utveckla sin intuition. 12

13 The educational problem is not to eliminate intuitions affirmatory or anticipatory. This in our view is impossible. The educational problem is to develop new, adequate, intuitive interpretations as far as possible, together with developing the formal structures of logical reasoning. (ibid., s. 211) Primär och sekundär intuition Intuition kan klassificeras i primär respektive sekundär (Fischbein, 1987, s. 64). Med primär intuition menas intuition som utvecklas hos individen genom erfarenheter från vardagen i det att vi lever och lär. Sekundär intuition syftar på intuitiva idéer som inte har sina rötter i erfarenheter från vardagen utan är skapade genom formell skolning. Sekundär ska här tolkas som senare ; en sekundär intuition är inte självklart hierarkiskt överställd en primär intuition. Distinktionen mellan primär och sekundär är inte heller absolut. Vad som uppfattas som en sekundär intuition är delvis kulturellt beroende. Fischbein menar dessutom att en primär intuition kan utvecklas och en ny sekundär intuition skapas. Fischbein (1987, s ) argumenterar för att intuition kan tränas och därmed utvecklas. Han menar att det är nödvändigt att träna sin intuition t ex för att utveckla förmågan att finna matematiska bevis. I denna studie är det i huvudsak sekundär intuition som är aktuell. De begrepp som studenterna arbetar med i studien är begrepp där intuition inte utvecklas genom erfarenheter från vardagen. Erfarenheterna kommer istället från studenternas möte med begreppen under sin matematikutbildning. Intuition för begreppen har utvecklats genom arbete med definitioner, satser, bevis och i problemlösning där dessa begrepp används, dvs. genom formell skolning. Det bör åter påpekas att en sekundär intuition inte nödvändigtvis är hierarkiskt överordnad en primär intuition. Den intuition studenterna visar i denna studie är helt enkelt av sådant slag att den inte skapas utan formell skolning. Även då en sekundär intuition utvecklas och en ny intuition uppstår behöver inte denna utvecklade intuition normativt uppfattas som bättre. Önskvärt är förstås en utveckling där en ny intuition blir mer konsistent med formella krav. Med utgångspunkt i studiens empiriska material vill vi ge exempel på hur intuitiva representationer blir viktiga i en kreativ problemlösningsprocess. Vi instämmer med Fischbein när han argumenterar för att studenterna måste tro på sin intuition samtidigt som de måste göras medvetna om sina intuitiva uppfattningar och lära sig kontrollera dem: it is important to develop in students the conviction that: (a) one possesses also correct, useful intuitions and (b) that we may become able 13

14 to control our intuitions by assimilating adequate formal structures. (Fischbein, 1987, s. 209) Ett samspel krävs alltså mellan intuition och formella strukturer. Som nämnts är det hur detta samspel gestaltar sig i en problemlösningsprocess som vi avser att belysa i studien. Det formella Den formella sidan av matematiken refererar till axiom, definitioner, satser och bevis. Matematik är visserligen mycket mer än det formella, dock ska vi nedan något behandla de formella delar som främst berörs i denna studie; definitioner som fastlägger begrepp och bevis som utgör kedjor av slutledningar. Begreppsdefinitioner Ett begrepp kan ses som en klassificering där varje objekt kan avgöras tillhöra klassen eller inte (White, 1994). Men begrepp kan ha otydliga gränser. Objekt kan ofta klassificeras på mer än ett sätt, grupperingen kan vara kontextberoende. När en individ gör klassificeringen på ett annat sätt än det av vetenskapssamhället vedertagna brukar individen sägas ha en missuppfattning eller möjligen en alternativ uppfattning (Duit, 2004). Undervisning syftar ofta till att ändra individens uppfattning om begreppet så att klassificeringen görs enligt vetenskapliga normer (ibid., se även Caravita & Halldén, 1994, för en diskussion och kritik av detta synsätt). Med ett begrepp kan också menas all den kunskap en individ har och förknippar med benämningen (White, 1994). Tall och Vinner (1981) använder beteckningen concept image för den kognitiva struktur som är associerad med ett begrepp. Denna kognition består av individens tolkningar och förståelse av begreppet. Den innefattar alla de egenskaper och processer som individen associerar med begreppet samt de mentala bilder t ex figurer och grafer som individen kopplar till begreppet. Även individens intuitiva idéer om begreppet ifråga innefattas i strukturen. Den kognitiva strukturen byggs upp successivt genom individens möte med begreppet. Med den formella definitionen av ett begrepp avses definitionen i sitt språkliga uttryck. Den formella definitionen medierar en idé men språkliga uttryck måste alltid tolkas. För den individuella tolkningen av den formella definitionen kan termen concept definition image användas (Tall & Vinner, 1981). Denna tolkning av den formella definitionen utgör en del av individens hela tolkning och förståelse av begreppet, dvs. den utgör en delmängd av individens concept image. Även den formella definitionen ingår i individens concept image förutsatt att individen känner till definitionen. Men begrepp kan definieras på olika 14

15 sätt. Olika idéer kan bilda utgångspunkt för en definition och samma idé kan också uttryckas språkligt på olika sätt. När vi här studerar relationen mellan det intuitiva och det formella så är det relationen mellan intuitiva idéer och de idéer som den formella definitionen avser att förmedla som står i fokus. En intuitiv idé för ett begrepp utgår inte alltid från samma idé som den formella definitionen. Den formella definitionen kan grundas på en idé som är svår att använda intuitivt. För kreativ problemlösning är den formella definitionen då knappast fruktbar. Definitionen kan däremot krävas för att konstruera ett stringent bevis. Begreppet gränsvärde kan utgöra ett exempel. Den intuitiva idén att gränsvärdet a för en talföljd a 1, a2, a3,... fås genom en process där vi närmar oss gränsvärdet kan inte direkt användas för ett bevis. För ett stringent bevis behövs den formella definitionens omvända ordning, starta med ett positivt tal ε, hur litet som helst, och studera sedan a n a (Fischbein, 1994). Ytterligare exempel på begrepp där den formella definitionen är svår att använda intuitivt är begreppen kontinuitet och tensorprodukt. Definitionen av tensorprodukt används främst för att påvisa begreppets existens och det är sedan bara begreppets egenskaper som utnyttjas vid problemlösning. Bevis Ett bevis är en kedja av logiska slutledningar som utgående från axiom, eller andra utsagor som uppfattas som sanna, leder fram till en utsaga, en sats, som därmed uppfattas som sann. Bevis utgör en viktig del av matematikens formella struktur. Ett bevis kan dock ha flera olika roller (se t ex de Villiers, 1990 och Hanna, 2000). Hanna (1991) påpekar att formella bevis ska ses som ett viktigt redskap för förtydligande, validering och förståelse av intuitiva tankar. Det finns emellertid enligt Hanna en fara i att vara alltför formell: The starting point for understanding is the naive mathematical idea rooted in everyday experience. To provide a basis for further progress, this naive idea must be developed and made explicit. This requires a degree of formalism. A language must be created: symbols defined, rules of manipulation specified, the scope of mathematical operations delineated. Greater precision must be taught, so that the essential can be separated from the non-essential and greater generality achieved. But this has its price. Distanced from the original intuitive context, the student may lose sight of reality and become a symbol pusher. (ibid., s 60-61) 15

16 En anledning till att studenter misslyckas med att genomföra formella bevis kan vara att de inte behärskar begreppens formella definitioner (Moore, 1994). En annan anledning, som också visas av Moore i samma studie, är att studenterna endast har en svag intuitiv uppfattning av begreppen. Fischbein (1987) behandlar det omvända problemet med starka intuitiva uppfattningar och påpekar att studenterna måste lära sig hantera samspelet mellan formellt bevisade förhållanden och intuitiva idéer. One of the fundamental tasks of mathematical education as has been frequently emphasized in the present work is to develop in students the capacity to distinguish between intuitive feelings, intuitive beliefs and formally supported convictions. In mathematics, the formal proof is decisive and one always has to resort to it because intuitions may be misleading. This is an idea which the student has to accept theoretically but that he has also to learn to practise consistently in his mathematical reasoning. (Fischbein, 1987, s. 209) Det är just detta samspel som vi i denna studie vill undersöka. Vi vill belysa hur studenter utnyttjar formella strukturer och intuitiva idéer samt på vilka sätt växelverkan mellan dessa sker. Växelverkan mellan det formella och det intuitiva Fischbein (1994) påpekar att man vid analyser av studenters matematiska beteende måste beakta tre basala aspekter av den matematiska aktiviteten: den formella, den algoritmiska och den intuitiva aspekten. Interaktionen mellan dessa tre aspekter är enligt Fischbein mycket komplex (ibid., s. 244). I denna studie begränsar vi oss till att belysa samspelet mellan två av dessa aspekter, den formella och den intuitiva. En av de relativt få studier som fokuserat hur studenter rör sig mellan formella och mer intuitiva resonemang är en studie redovisad av Pinto och Tall (1999). De har följt studenter under en lång tid och studerat de strategier som studenterna använder för att tolka och skapa mening för den formella matematiken. Studien visar på två olika lärandestrategier. Vissa studenter har preferens för en strategi som Pinto och Tall benämner giving meaning. Dessa studenter skapar sin tolkning av den formella matematiken genom att utgå från intuitiva idéer. De reflekterar över mentala objekt och förfinar sina idéer för att skapa en tolkning som överensstämmer med den formella teorin. Andra studenter använder i första hand en strategi som benämns extracting meaning. Dessa studenter skapar sin tolkning utgående från den formella teorin. De extraherar mening från formella definitioner och konstruerar begreppens egenskaper genom deduktion. Studenterna visar som individer preferens för en av lärandestrategierna även om de också använder den andra strategin. 16

17 Tidigare studier och andra forskares teorier har oftast beskrivit strategier liknande extracting meaning (Pinto & Tall, 2002). Som exempel kan nämnas APOSteorin (Dubinsky, 1991) och Sfards teori om hur en matematisk process reifieras till ett matematiskt objekt (Sfard, 1991). Dessa teorier ger emellertid inte någon beskrivning som förklarar lärande-strategin giving meaning. Pinto och Tall (2002) argumenterar för att teorierna därmed inte inbegriper alla lyckosamma strategier. Studenters svårigheter att koordinera formella och intuitiva aspekter av matematiken behandlas av Raman (2002). Med exemplet kontinuerlig funktion visar Raman att studenterna inte erbjuds så många tillfällen att skapa kopplingar mellan det formella och det intuitiva. Läroböckers framställningsform och urval av uppgifter ger enligt Raman inte studenterna incitament att koppla samman formella definitioner med mer intuitiva karakteriseringar av begrepp. Perspektiv för studien I vår analys av studiens datamaterial använder vi ett perspektiv som främst belyser den potential som finns i studenternas agerande. Driver (1981) påvisar att elever ofta har begreppsuppfattningar som skiljer sig från de uppfattningar om begreppen som är vedertagna av vetenskapssamhället och som undervisas i skolan. I de fall där elevernas uppfattningar skiljer sig från lärarens eller lärobokens beskrivningar av begreppen talar man om missuppfattningar eller alternativa referensramar. En hel forskningstradition har följt i Drivers spår och beforskat elevers begreppsuppfattningar (Duit, 2004). Studier av elevers uppfattningar har främst gjorts inom naturvetenskapens didaktik men även inom andra ämnesområden. Forskning inom traditionen alternativa referensramar visar att förändring av begreppsuppfattning ofta möter stort motstånd hos individen (Vosniadou, 1994). Undervisningen inriktas mot att förmå individen att byta ut begreppsuppfattningar som klassificerats som missuppfattningar mot nya uppfattningar som bättre stämmer med de vetenskapligt vedertagna. Flera studier visar dock att elever trots undervisning sällan överger sina tidigare föreställningar om begreppen (se t ex Halldén, 1988, 1999). Förändringar i begreppsuppfattning, conceptual change, beskrivs ofta som en övergång från en uppfattning till en annan där den senare oftast uppfattas som bättre än den tidigare (se t ex Vosniadou, 1994). Det finns alltså ett normativt inslag i teoribildningen där den vedertagna vetenskapliga uppfattningen uppfattas som den rätta. Halldén (1999) ifrågasätter det fruktbara i att se begreppsutveckling i termer av conceptual change. Istället argumenterar Halldén för att utvecklingen bättre kan förstås som ett kontextualiseringsproblem där studenter ibland misslyckas med att infoga ett begrepp i ett relevant sammanhang 17

18 den kontext som av läraren uppfattas som den korrekta. Lärsituationen missuppfattas och studenter ger svar kopplade till vardagserfarenheter och inte vetenskaplig teori (se även Säljö, 2000). Det kulturella sammanhanget är i undervisningssituationer ofta implicit och studenter kontextualiserar ibland uppgifter i ett annat teoretiskt ramverk än vad som avsetts. För att rätt hantera lärsituationen krävs att studenter blir inskolade i den kultur som råder i ämnet och i skolsituationen. En individs begreppsuppfattning kan också förändras genom att en ny uppfattning läggs till utan att den gamla försvinner (Halldén, 1997; Halldén et al, 2002). De olika uppfattningarna lever sida vid sida och används i olika sammanhang. Detta kan beskrivas som en process av differentiering som resulterar i två eller fler olika sätt att uppfatta samma företeelse. För individen innebär det att repertoaren utökas. Ett sätt att förklara lärande är att se kunskapsbildning som en differentiering mellan olika kontexter för tolkning av en situation eller en uppgift. Individen måste vara medveten om och ha förmågan att differentiera mellan olika sätt att tolka och förstå ett undervisningsinnehåll. Det handlar om att finna en lämplig kontext och sedan använda en begreppsuppfattning i enlighet med denna (Wistedt, 1993). Genom att frigöra sig från den normativa uppfattningen, att en begreppsuppfattning är bättre än en annan, öppnar vi upp för ett synsätt där vi kan synliggöra den potential som studenternas uppfattningar eventuellt inrymmer. Forskningstraditionen alternativa referensramar utgår från en konstruktivistisk grundsyn. Det betyder mycket förenklat att individen själv konstruerar sin kunskap. Stark kritik mot detta synsätt har framförts från forskare inom den sociokulturella traditionen (Säljö, 2000). Inom denna tradition hävdar man lärandets starka beroende av situationen och det sociala samspelet. Kunskapen skapas i samspelet mellan individerna (Dysthe, 2001). Försök finns dock att föra samman dessa två perspektiv. Driver med flera (1994) ser vetenskaplig kunskap som socialt konstruerad. Lärande uppfattas som en socialiseringsprocess som även inkluderar individuella processer. Cobb (1994) argumenterar i artikeln Where is the mind? för att konstruktivismen och det sociokulturella perspektivet ska ses som två komplementära perspektiv där fokus riktas mot olika problem. Det ena perspektivet kan utgöra bakgrund för det andra. Cobb tolkar lärande både som en socialiseringsprocess och som en process av individuell kunskapsbildning. Vi har i denna studie valt ett annat sätt att, utan att lämna den konstruktivistiska grundsynen, förhålla oss till kritiken från det sociokulturella perspektivet. Studenternas agerande har tolkats med hjälp av intentionell analys. I den intentionella analysen sker en sammanvägning av individernas kognitiva förmåga och deras tolkning av situationen. Den intentionella analysen hjälper oss dessutom att se den potential som kan finnas i studenternas agerande. Vi lämnar ett bristperspektiv och sätter istället ljuset på de lärandes kompetens. 18

19 Studiens syfte Med denna fallstudie vill vi belysa samspelet mellan intuitiva idéer och formella bevis. Vi är framförallt intresserade av att visa hur detta samspel kan gestalta sig. Med utgångspunkt i en konstruktivistisk grundsyn och i ett perspektiv där vi främst är intresserade av att söka den potential studenterna kan uppvisa vill vi beskriva växelverkan mellan intuitiva idéer och formella strukturer så som dessa kommer till uttryck främst i begreppsdefinitioner och formella bevis. 19

20 Metodiska överväganden Intentionell analys Som redan nämnts används i denna studie en analysmodell som syftar till att belysa och rimliggöra studenters agerande då de ställs inför en matematisk uppgift; intentionell analys. Intentionell analys har kommit att bli benämningen på en typ av kvalitativ analys som utvecklats av forskargruppen Kommunikation och kunskapsbildning vid Pedagogiska institutionen vid Stockholms universitet (Halldén, 2001). Analysmetoden bygger i huvudsak på von Wrights studier (1971) av vad som karakteriserar mänskligt handlande och vad som skiljer en historisk förklaring från en förklaring av t ex fysikaliska fenomen. Analysen syftar till att beskriva individers begreppssystem samt hur dessa används i specifika situationer. Enligt von Wright (ibid.) måste man för att förstå individers agerande tillskriva mening till individernas beteende, dvs. uppfatta deras agerande som intentionella. Det finns mänskligt agerande som inte är intentionellt. Hjärtslag och peristaltiska rörelser sker icke-intentionellt men det är inte denna typ av aktiviteter som vi här är intresserade av. En ryckning i ögonlocket kan vara intentionslös men det är viktigt att kunna skilja en sådan ryckning från t ex en flört där det finns en intention, medveten eller omedveten, hos den agerande. Det är i ljuset av en intention som ett agerande blir meningsfullt och kan beskrivas som en handling, som i exemplet flört. Intentionell analys ger en modell för agerande som kan utgöra ett hjälpmedel för att förstå meningen i en individs agerande i en given situation och varför individen agerade som han gjorde. Grundtanken i den intentionella förklaringsmodellen är att ett beteende blir begripligt och meningsfullt genom att agenten förutsätts agera intentionellt (Jakobsson Öhrn, 2001). För att kunna tolka individernas aktiviteter som meningsfulla handlingar måste därför den beskrivning vi utgår från vara så detaljerad att meningen kan bestämmas. Benämningen tjock beskrivning används av Geertz (1991) för en redovisning av vad som sker där också sammanhanget för agerandet lyfts fram. Geertz påpekar att vi i våra beskrivningar av mänskligt agerande måste vara aktörsorienterade, dvs. våra tolkningar måste göras i termer av handlingar som rimligen kan tillskrivas individen. Ett sätt att förstå den intentionella analysen är att se den som skapandet av en modell. Vi modellerar verkligheten för att försöka förstå vad som händer på samma sätt som en tillämpad matematiker skapar modeller för bakterietillväxt, spridning av luftföroreningar eller andra problem man önskar studera. 20

21 Verklighetens agerande och yttranden försöker vi med hjälp av den intentionella analysen modellera. I modellen kan vi genom att tillskriva individerna intentioner tolka deras agerande som handlingar och därmed öka förståelsen av den verklighet de upplever. Intentionalitet utgör alltså ett grundantagande för modellen. I modellen använder vi begreppen handling, utsaga och determinanter. Dessa begrepp reserveras för arbetet inom modellen och ska inte förväxlas med beskrivningar av verkligheten som görs i termer av agerande (beteende, aktiviteter), yttranden samt kognitiva och situationella betingelser. Intentionell analys är en systematisering av den tolkande verksamhet som vi alla använder i vårt dagliga liv när vi försöker förstå andra människors agerande. Syftet med att tala om intentionell analys som en specifik metod är att öka medvetenheten om tolkandet och därmed öka systematiken i analysen. Dessutom blir det möjligt för läsaren att granska de tolkningar forskaren gjort. Att tolka beteende i ett intentionellt perspektiv är alltså att försöka svara på varför individen agerade på ett givet sätt. Samma agerande, t ex en serie enskilda beteenden som går mot ett fönster, lyfter handen, griper i handtaget, skjuter fönstret utåt, kan ges flera förklaringar: individen agerar så för att öppna fönstret, för att vädra eller för att släppa ut en fluga. Detta för-att-motiv är avgörande för vilken beskrivning som passar in i modellen. Vi söker den handling som gör enskilda beteenden rimliga och meningsfulla i ljuset av en avsikt, ett mål som individen försöker uppnå: fönsteröppning, vädring, flugjakt. Ett sätt att illustrera en intentionell förklaring är att konstruera en praktisk inferens (Halldén, 2001; Scheja, 2001): Premiss 1: P vill/önskar/avser att åstadkomma x. Premiss 2: P tror att han kan åstadkomma x genom att göra y. Slutsats: Därför; P gör y. Som observatörer ser vi att P gör y, t ex går mot ett fönster, tar i handtaget, osv. P:s beteende blir meningsfullt om vi antar att P har ett syfte x, t ex att vädra. Relationen mellan x och y skapas av den som tolkar agerandet. I denna mening tillskriver vi som tolkare en intention för agerandet. Med intention menar vi alltså inte här nödvändigtvis en medveten mental akt hos aktören. Intentionen avgör tolkaren genom att matcha premisserna i slutledningen med konklusionen. Det är denna tillskrivna mening som kan prövas och försvaras, eller förkastas, i den intentionella analysen. 21

22 Handlingens determinanter I en intentionell analys söker vi premisserna för en individs agerande. Det finns endast indirekta sätt att fastställa en agents intentioner: genom att titta på faktorer som kan tänkas påverka individen att agera på ett visst sätt kan vi dra slutsatser om en persons avsikter (Jakobsson Öhrn, 2001). von Wright (1979) gör en distinktion mellan två typer av faktorer som bestämmer en individs agerande benämnda interna determinanter respektive externa determinanter. De interna determinanterna är interna genom sin association med den förmodade mentala dispositionen hos agenten. De syftar på individens emotionella, kognitiva och fysiska tillstånd. De externa determinanterna får sin externa karaktär genom att vara associerade med egenskaper utanför agentens förmodade viljekraft. De syftar på individens föreställningar om och tolkningar av den situation i vilken handlingen utförs och av den kultur i vilken situationen är inbäddad. Vi skulle också kunna benämna determinanterna psykologiska/mentala respektive sociokulturella/diskursiva (Halldén, 2001). Med determinanter för en handling menas i den intentionella analysen inte orsakerna till handlingen utan determinanterna konstitueras av de olika typer av premisser som kan ingå i den praktiska slutledningen, inferensen. Determinanterna ska inte heller ses som psykologiska entiteter hos agenten utan snarare som en begreppsapparat för att analysera handlande (Scheja, 2001). De är inte observerbara entiteter utan de utgörs av de föreställningar eller begreppsstrukturer som vi tillskriver individen vid konstruktionen av den praktiska inferensen och de är härledda genom matchningsförfarandet mellan premisser och konklusion. COGNITIVE DIMENSION intrinsic wants, beliefs, abilities (determinants) intention action extrinsic duties, norms, opportunities SITUATIONAL/CULTURAL DIMENSION Fig. 1. Handlingens determinanter (efter Scheja, 2002, s. 58) Att forma en intentionell förklaring betyder inte i första hand att isolerat analysera ett enstaka agerande genom att konstruera en praktisk inferens. Det innebär framförallt att leta efter ett fält av sammanlänkade fakta, en narration om agenten. Enligt Scheja (2001) är just detta sökande den intentionella analysens väsentliga 22

23 kännemärke. Att göra en distinktion mellan interna och externa determinanter för handlingen öppnar dessutom upp för att ta hänsyn till både kognitiva och sociokulturella aspekter av lärandeprocesserna (se fig. 1). Den intentionella analysens sökande efter sammanlänkade data och den noggranna tolkningsanalysen ger också en möjlighet att tränga djupt in i aktörernas beteenden. Det ger därmed en möjlighet att se potential hos aktörerna, en potential som ofta förblir osynlig vid en ytligare analys. När vi med hjälp av intentionell analys gör en tolkning av ett samtal utgår vi från ett datamaterial som här består av dokumenterade samtal mellan studenter som löser en matematikuppgift. Genom transkribering av materialet har vi stannat tiden och samtalet blir möjligt att återvända till. Vårt material består av det videobandade samtalet och de anteckningar som studenterna gjort i det att de löste en given uppgift. Men i tolkningssituationen tillför vi också bakgrundsinformation. Det är med hjälp av denna bakgrundsinformation som de externa determinanterna konstitueras. Vi som tolkar har t ex kunskap om hur matematikkurser brukar se ut och hur läroböcker vanligen framställer olika begrepp. Vi har dessutom egen erfarenhet och kunskap om matematik. Utan dessa kunskaper skulle förmodligen tolkningen ha varit svår att genomföra. Validering av analysen En tolkning av ett agerande innebär alltså att en intention tillskrivs en agent. Tolkningens giltighet, validitet, får mätas mot det stöd tolkningen får av det empiriska materialet som samlats t ex genom observationer samt av relevant teoribildning. Valideringen kan ses som en argumentationsprocess. Den accepterade tolkningen blir därmed alltid öppen för fortsatt argumentation. Möjligheten att mot det empiriska materialet testa forskarens tolkningar är en av styrkorna hos metoden. Denna typ av analys kan inte valideras genom hänvisning till agentens egen syn på sitt agerande. Frågan om hur vi vet att individerna verkligen har de intentioner vi tillskriver dem är inte relevant eftersom vår tolkning utgör en modell. Det är i denna modell som agerandet blir till meningsfulla handlingar. Om man skulle fråga aktören är tolkningen som denne föreslår i samma grad en tillskriven intention. Aktören har möjligen större kännedom om sina egna bevekelsegrunder men kan också vara påverkad av andra omständigheter t ex av viljan att framställa sig i en gynnsam dager. Ett beteende kan också förklaras på mer än ett sätt givet att dessa är rimliga beskrivningar av individens agerande. Vilken av dessa vi väljer beror på syftet för vår studie. I denna studie lägger vi fokus på intentioner relevanta för den matematiska verksamheten. Aktörerna skulle, om vi frågade dem, kunna välja andra syften där matematiska handlingar inte står i fokus. 23

24 Den empiriska studien Studiens genomförande Studenterna som deltagit i studien läser matematik på universitetsnivå. Studien genomfördes med tre grupper av studenter som frivilligt anmält sig att medverka i undersökningen som genomfördes utanför ordinarie undervisning. Den grupp som närstuderas valdes ut då datamaterialet runt denna grupp erbjöd ett rikt underlag för studier av den här aktuella frågeställningen. Gruppen bestod av fyra studenter, två kvinnor och två män. De fyra studenterna följde alla ett matematikprogram vid ett svenskt universitet. Tre av dem var när studien genomfördes i slutet av sitt första studieår och hade under året studerat tillsammans. De hade när studien genomfördes läst ca 30 poäng matematik. En av gruppmedlemmarna gick i en högre årskurs men läste vid tillfället samma kurs i flervariabelanalys som de andra tre. Den uppgift som valts är inspirerad av en uppgift som tidigare använts som inlämningsuppgift inom en av matematikkurserna på programmet Naturvetenskaplig problemlösning vid Göteborgs universitet. Uppgiften fick sin slutgiltiga formulering efter att ha testats på enstaka studenter och några matematiker. Studenterna i gruppen fick tillgång till uppgiften dagen innan studien genomfördes, med instruktionen att var för sig fundera igenom problemet men inte diskutera det med varandra. Valet att ge dem tillgång till uppgiften gjordes för att gruppen snabbt skulle komma igång med sitt arbete. Uppgiften: Låt f vara en funktion definierad på hela R. a) Hur många nollställen kan funktionen högst ha om för alla x gäller att f ( x) 0? b) Om istället f ( x) 0 vad gäller då för antalet nollställen till funktionen? ( c) Om vi har f n ) ( x) 0 vad kan då sägas om antalet nollställen till funktionen? Använd induktion för att bevisa ert påstående. Gruppen fick inga tidsramar för sitt arbete utan instruerades att arbeta så länge de själva önskade. Gruppen som har valts som exempel använde totalt 115 minuter. Studien har genomförts genom videoinspelning utan närvarande observatör. De anteckningar som studenterna gjorde har samlats in och analys av dessa ingår i 24

25 underlaget för tolkningen av gruppens arbete. Gruppmedlemmarna har i presentationen givits namnen Alex, Beth, Carl och Diana. Gruppens samtal har transkriberats i sin helhet. Pauser och tvekan i studenternas tal har markerats med punkter ( ). Punkter har också använts då yttranden är inflätade i varandra samt när yttranden saknar tydlig start eller lämnas oavslutade. När betoning av ord eller uttryck avviker från normal prosodi har det betonade ordet markerats med fet stil. De delar av studenternas samtal som finns återgivna i berättelsen om gruppens arbete har redigerats något för att öka läsbarheten. Matematiska uttryck har återgivits med matematiska symboler när det bedömts förenkla läsandet utan att påverka tolkningen av studenternas uttalanden. Felsägningar som direkt rättats av studenten själv har strukits och en del talspråkliga uttryck presenteras i sin skriftspråkliga form. För en diskussion om detta sätt att presentera ett datamaterial för läsaren se t ex Trankell (1973). De utdrag från samtalet som presenteras i analysavsnittet är inte redigerade på detta sätt utan är hämtade direkt från transkriptionen. Läsaren ges därmed också möjlighet att granska hur direkta citat har redigerats. Gruppens arbete Reflexion över uppgiften Gruppen börjar sitt arbete med att tydliggöra uppgiften. Uppgiften är inte fullständigt specificerad men detta leder inte till några tolkningsproblem för gruppen. De konstaterar snabbt att det är c-uppgiften som är den viktiga och att a- och b-uppgifterna utgör en startsträcka. De gör en inventering av vad de kan sedan tidigare och vad de känner igen. Diana: Vi har nog haft någon sådan här liknande, men Gruppen konstaterar att om derivatan inte är noll så kan derivatan inte byta tecken. Funktionen är därmed växande, eller avtagande, hela tiden. Funktionen kan därför ha högst ett nollställe. Gruppen övergår till b-uppgiften och gör en ny inventering. De konstaterar att om andraderivatan är skild från noll så är derivatan växande eller avtagande och då byter derivatan tecken högst en gång. De ritar en figur som visar en parabel och konstaterar att detta innebär att funktionen kan ha högst två nollställen. Efter ca fyra minuter kommer gruppen fram till c-uppgiften. Beth: Men nu har vi induktion här, det blir spännande. 25

26 Formulering av hypotes En hypotes formuleras snabbt, utan någon diskussion alls i gruppen. Carl: Ja just det, om nollställen, n stycken nollställen. Det är det vi tror va? Alla håller med. Ett problem uppstår dock, vad ska man göra induktion över? Man är ganska klar över den formella gången i ett induktionsbevis, men har svårt att få in denna uppgift i en mall för sådana bevis. Carl: Då ska man ha ett basfall först, Börjar vi på f prim x eller börjar man på, det finns ingen f noll x va? Gruppen enas om att man börjar på f ( x) men är inte överens om huruvida detta redan är bevisat eller inte. Man konstaterar att satsen om mellanliggande värden nog kan användas men konstaterar också att detta kanske inte är det viktigaste. Carl: Men det kan vi göra sen, om vi vill göra ett jättefint bevis, för det är ju inte det svåra ändå känns det som, utan det svåra är väl det som man ska bevisa nu. De söker en idé för att kunna genomföra beviset och funderar över vari svårigheten består. För att kunna formalisera krävs att man har idén. Gruppmedlemmarna skämtar också lite om vad man gör. Carl: Enligt satsen om monoton konvergens eller någonting sådant (fniss). Man gör ett induktionsantagande men känner sig inte trygg i detta. Carl: Så vi antar alltså det här för något p då. För något p så gäller ( p att f ) ( x) 0 och då så gäller att f har p stycken nollställen. Det här känns ju livsfarligt tycker jag, men det funkar ju, det är ju så Här finns inte med att det handlar om högst p nollställen. Man kan emellertid senare i studenternas samtal se att denna specificering tas upp igen när den behövs. Att bevisa med induktion Gruppen fortsätter diskussionen om vad induktion är. Diana försöker förklara. Vid denna tidpunkt när gruppen arbetat i ca 9 minuter presenterar Diana en idé som senare återkommer. 26

27 Diana: Alltså jag tänker, eller, det kanske bara är jag som inte har så där stenhård koll på induktionen. Det känns som att det kan alltid gå tillbaka ett steg och överföra det på de här två (pekar på a- och b-uppgiften i Carls lösning) och säga att om derivatan är skild från noll, då har funktionen bara ett nollställe. Och ifall tredjederivatan är skild från noll så har andraderivatan bara ett nollställe och så fortsätter man så. Beth vidhåller hela tiden en formell mall för induktionsbeviset. Beth: Man antar väl det här, men sedan så lägger man till, steget ovanför. Men då ska det ändå bli antagandet liksom. Det är väl så principen är. Men jag vet inte riktigt hur man ska Beth vill passa in beviset i lärobokens mall och återkommer till detta gång på gång under gruppens arbete. Dessa kommentarer stör gruppens arbete och gör att man vid flera tillfällen tappar bort goda idéer. Så t ex uppstår en diskussion om åt vilket håll induktion ska göras. Carl: ( p ) ( x) f den kommer ju att se ut Det är ju derivatan av en annan funktion. Alltså är det ju enklare att gå åt det hållet i och för sig. Får man göra det? Men det är väl bara bra att göra det, är det inte det? Om vi börjar med ( p+1) ( p f, om den är skild från noll, då har f ) ( x) Men det var inte det vi ville visa, precis som vi sa förut... Det uppstår också en dispyt mellan två av gruppmedlemmarna. Alex: Alltså, jag tänker att om man börjar med det här som antagandet och går bakåt, alltså om man går från p+1 till p och visar det. Beth: Induktionen är väl att man går steget uppåt och sedan visar att det är det samma som steget under. Diana: Ja för du måste ju, du kan ju inte, alltså Beth: Och då gäller det hela vägen liksom Alex: Ja. Diana: Poängen är ju att du ska börja på p så ska du ta p+1, Alex: Ja, jag tar nog det (tyst och med miner) bla, bla, bla... Diana: så du räknar uppåt Alex: Ja. Diana: och inte nedåt för då kan du välja ett p och så kan du gå neråt från det här, för vi vet inte Alex: Mm. Diana: Annars får du ju börja med världens största Alex: Ja. Oändligheten. 27

28 Diana: Ja Carl: känns som det skulle vara okej med ett ospecificerat p som skulle kunna vara godtyckligt stort Det är konstigt att det inte fungerar, men Efter denna ordväxling tar speciellt två av gruppmedlemmarna, Carl och Diana, tag i arbetet och försöker komma vidare. Diana kommer med en viktig idé: Diana: Vi kan derivera den där liksom (pekar i Carls lösning på ( p+1) den där (pekar i Carls lösning på f ). f ( p) ), så får vi Ett induktionsbevis innebär att senare fall återförs på ett tidigare. Vet man hur detta går till så är beviset i princip klart. Carl verkar nu se att kanske den avgörande idén finns här. Carl: Och så, antingen är det färdigt eller så är det jättesvårt (skratt). En inventeringsfas Efter detta konstaterande sker ett brott i gruppens arbete. De övergår till en inventering om vad de vet om derivator och funktioner. Diana: Om den är skild från noll, vad innebär det då för derivatan? Och om funktionen är skild från noll, vad innebär det då?... om derivatan? (ritar) Det säger ju ingenting, eller, det säger ju Beth: Nej, det säger ju inte, det kunde högst vara ett nollställe, men den kanske inte har något nollställe. Diana: Nej. Alex: Men, men... Alex: Det säger väl visst någonting, om en funktion är Diana: Nej. Alex: skild från noll då säger det att, då korsar den inte Beth: Nej den korsar inte. Alex: Den korsar inte. Och då måste den vara antingen växande eller avtagande. Diana: Den kan väl gå så här? (ritar, se fig. 2) x-axeln kan ju alltid ligga under. Det säger ju ingenting. Funktionen kan ju hoppa och ha sig lite hur som helst här. 28